病毒的科学插图

让我们想象一下没有病毒的地球。新冠肺炎疫情消失了，夺去百万人命的恶魔消失了，那一定是天堂吧？事实远不是这样，没有病毒我们活不下去，甚至根本无法出生。


当一条斑马鲨游弋而过时，水族馆的潜水员展示了一个噬菌体（bacteriophage）的图像，噬菌体是一类感染细菌的病毒。这个水族馆的水里，估计有5320万亿的噬菌体，连起来可以绕地球八圈，它们对健康的海洋生态系统至关重要。

我们生活在一个病毒的世界里——病毒的种类和数量多得无法估量。其中许多病毒对我们是有益的而不是有害的。病毒为我们的进化提供助力，带来源源不断的新基因。如果没有病毒，那么我们星球上巨大的生物多样性，就会像木房子拔掉钉子一样坍塌。

病毒怎样化腐朽为神奇


首先我们要知道的是，病毒没有生命，因为它跟动物、植物、细菌等生物不一样，没有细胞。病毒的构造很简单，每一个病毒包含一段遗传基因（由DNA或者RNA写成），包装在一个叫衣壳（capsid）的蛋白质外壳里。有时衣壳外层还有一层膜，可以保护它，并帮助病毒抓住它的猎物——细胞。病毒不能自己繁殖，只能进入一个细胞，利用细胞本身的功能来复制自己。


低温透射电子显微镜（cryogenic transmission electron microscope）的显示屏上，展示了新冠病毒SARSCoV-2的横截面和三维模型。

被感染的宿主细胞会制造出许多新病毒，而不幸的细胞被掏空只剩残骸。所以病毒会让人得病。但是，如果宿主细胞幸运的话，病毒不会造成伤害，只是在细胞里休眠，或者把它自己的基因写进宿主的基因组里。


最致命的病毒之一，埃博拉病毒的电子显微镜图片。这些绿色的细丝是病毒，它们从细胞里一窝蜂般涌出来。

我们通常认为病毒都是坏蛋，它们导致了新冠肺炎和其他许多恶疾，人们把病毒称为“蛋白质包裹的坏消息”。法国巴斯德研究室（Pasteur Institute）的帕特里克•福特尔（Patrick Forterre）却有不同的想法，他认为病毒带来的bug会变成feature，化腐朽为神奇。一些进化史上最伟大的革新都与病毒有关。


这是一个小女孩的肺，她在1912年因麻疹死于柏林Charité医院。在她的肺上面发现了迄今所知最古老的麻疹病毒基因组，提供了麻疹病毒在公元前四世纪从牛传染给人的证据。

福特尔认为，以前对“病毒”的定义是不充分的，我们认为病毒是死的，是因为我们把这一小团蛋白质和DNA看作了“一个病毒”。
病毒本体就像一粒种子，看上去是死气沉沉的。种子栽种在土里才会长成植物，病毒只有利用细胞的机制复制自己，才能焕发活力。
病毒寄生在细胞之内的时候，就有了生命。这是一个非常精妙的过程，受感染的细胞像僵尸一样，听从病毒的指令，读取病毒基因组并制造出更多病毒。就在这个可怕的过程中，病毒的基因为进化带来了创新。


新冠病毒的人工着色照片。

一个创新来自病毒和细胞的军备竞赛，病毒进化出新手段攻破细胞，而细胞也会进化出防御的手段进行回应，比如细胞壁和细胞核作为“城墙”。这个竞争的过程会让细胞越来越复杂。


新冠病毒表面的“刺”的分子模型，表面蓝色的一层，是类似聚糖的分子，这些分子把新冠病毒伪装起来，让人体的免疫系统无法发现病毒。它们是研发疫苗的关键。

另一个创新是基因的“互相抄袭”。病毒会从寄主细胞那里得到基因，加入到自己的基因里，寄主细胞也会从病毒这里得到新基因。这个现象被称为水平基因转移（horizontal gene transfer）。
福特尔认为，大多数生物遗传的多样性，都来自于病毒。


我们怎么知道水里有多少病毒？用0.02微米的过滤器把水过滤，就能捞到水里的细菌和病毒，再使用和DNA结合的染色剂，给细菌和病毒染色，最后通过荧光显微镜观看。我们看到的这些小点，就是细菌跟病毒。

没有病毒，我们全都无法出生

病毒学家蒂埃里•海德曼（Thierry Heidmann）有更加惊人的发现：一类在我们看来是最为邪恶的病毒，居然关系到我们能否出生。
这类病毒叫逆转录病毒，它们的基因是用RNA分子写成。它们老奸巨猾，可以把自己的RNA改写成DNA，插入到宿主细胞的基因中。导致艾滋病的HIV病毒就是一种逆转录病毒，它把基因写进人类免疫细胞的基因内。病毒的基因一旦被激活，产生出大量的HIV病毒，人的免疫细胞就完蛋了，所以艾滋病患者会死于免疫系统被削弱，无法抵御感染和癌症。


一个尼安德特人的头骨。我们的智人祖先与尼安德特人发生了混血，科学家们发现了我们从尼安德特人那里继承的152个基因，这些基因有助于对抗我们遇到的新病毒。

逆转录病毒大肆入侵生物细胞，导致我们人类的基因组里，有8%是逆转录病毒残留下来的基因，你可以说，人类的基因组是病毒的坟地。
海德曼的研究对象，是一类叫Syncytin的基因，中文名字叫合胞素。它们最早来源于逆转录病毒，作用是帮助病毒的外膜与细胞融合，现在已经被人类所利用，帮助人体细胞融合。Syncytin基因参与构建一种特别的组织，它在母亲和胎儿之间起着中介作用，允许营养物质和氧气进入，将废物和二氧化碳排出。它的名字就是胎盘。


早在1.5亿年前，病毒就感染了哺乳动物，导致胎盘的产生。从此，哺乳动物可以带着孩子到处走动，不容易被捕食者杀害。

这只是病毒功劳簿上的一个例子。还有一个来自病毒的人类基因，名叫HERV-K，可能有保护胚胎或控制胚胎发育的作用。总之，要是没有逆转录病毒的大力帮助，我们根本就不可能出生。


这个小绿球是早期的人类胚胎，染成绿色的部位是HERV-K基因存在的位置。

另外一类叫ARC的基因，它们在大脑的神经网络里发挥作用，让我们的大脑产生出记忆。ARC基因也是源自逆转录病毒基因，最早是用来制作病毒的蛋白质衣壳的。
多亏这些“改邪归正”的病毒，你才能记住，病毒也不都是坏家伙，它们是我们生命中不可或缺的一部分。


神经科学家杰森-谢泼德（Jason Shepherd），他手里拿着的画，是一个蛋白质组成的“口袋”的三维重建图像。这个“口袋”是由ARC基因制造的，ARC基因来自细菌，最早它制造的蛋白质“口袋”是用来保护病毒的基因，现在却用来在大脑中的神经元之间传输遗传信息。